O desafio energético nos data centers de inteligência artificial não se limita mais ao consumo das unidades de GPU ou à eficiência dos aceleradores, mas se estendeu a todo o caminho que transporta a eletricidade da rede até as portas dentro dos chips. Com o aumento da potência dos racks de servidores de cerca de 125 quilowatts atualmente para 500 quilowatts e, depois, 1 megawatt, os projetistas de infraestrutura estão direcionando-se para uma arquitetura de 800VDC a fim de reduzir o número de etapas de conversão de energia, diminuir as perdas e o calor e economizar cobre e espaço dentro dos data centers.
Peter Wawer, chefe da divisão de Energia Industrial Verde da Infineon Technologies, afirmou que a potência dos racks de servidores atualmente é de cerca de 125 quilowatts, antes de subir para 500 quilowatts e, depois, para uma arquitetura de conversão DC-DC de 800 volts quando atingir o nível de megawatt. A cadeia normalmente começa em uma rede de média tensão que chega a 35 quilovolts, onde a corrente alternada de alta tensão precisa ser convertida para níveis adequados e, em seguida, para corrente contínua, até alcançar tensões inferiores a um volt exigidas pelas unidades de GPU e outros aceleradores.
De 48 volts a 800VDC
Os data centers tradicionais geralmente adotaram arquiteturas de 48 volts ou 12 volts. A eletricidade passava por várias etapas, incluindo uma unidade de alimentação ininterrupta UPS, uma unidade de condicionamento e distribuição de energia PDU e, depois, a conversão para 48 volts, antes de chegar a tensões como 1,2 ou 0,7 volt dentro da unidade de processamento gráfico. Steven Lee, diretor de produtos de software para projeto de eletrônica de potência da Keysight Technologies, afirma que essa abordagem era adequada quando as necessidades dos data centers eram muito inferiores aos níveis impostos pelas cargas de trabalho de inteligência artificial.
Na arquitetura proposta de 800VDC, parte das etapas de corrente alternada pode ser integrada em uma única interface AC-DC que utiliza carbeto de silício. Em vez da transição sequencial entre muitas etapas, o caminho se torna mais curto, reduzindo as perdas de comutação e o calor associado a cada etapa. Pavani Gottipati, diretora de engenharia de aplicações da Synopsys, considera que a transição dos fornecedores de componentes e operadores de data centers da arquitetura tradicional de 415VAC para 800VDC exige repensar o projeto dos componentes, incluindo a introdução de conversores de estado sólido.
A elevação da tensão não aumenta, por si só, a potência necessária, mas reduz a corrente exigida para transmitir a mesma potência. Por isso, Pradeep Shenoy, especialista em tecnologia de energia para computação da Texas Instruments, considera que permanecer em torno de 50 volts não será prático com os novos níveis de potência, mesmo com o resfriamento líquido dos barramentos de distribuição. Ele também observa que a passagem por níveis intermediários, como 400 volts, pode não ser atraente se as potências dos racks continuarem subindo rapidamente, pois as instalações talvez precisem ser reprojetadas novamente para chegar a 800 volts.
Maior eficiência e menos espaço e cobre
A arquitetura de 800VDC permite maior densidade de potência, conversores mais leves e menor espaço para componentes de distribuição de energia. Com a mesma potência, a tensão mais alta resulta em uma corrente menor e, portanto, permite o uso de fios mais finos em vez dos condutores espessos necessários a 48 volts. Isso é especialmente importante nos data centers de inteligência artificial, onde a transmissão de potência em correntes elevadas pode consumir grandes quantidades de cobre e impor restrições térmicas e mecânicas aos racks.
Além disso, a melhoria limitada na eficiência de cada etapa se acumula ao longo da cadeia de conversão. Shenoy afirmou que a transição de uma entrada de 12 volts para 6 volts em uma das etapas de conversão de energia pode proporcionar cerca de 2% de ganho de eficiência e permitir cerca de 30% mais potência no mesmo espaço. Ele acrescentou que o aumento de um ponto percentual na eficiência total pode ter um impacto operacional e financeiro importante para provedores de serviços em nuvem e operadores de data centers.
Os benefícios não se limitam aos data centers. Puneet Sinha, diretor sênior e líder global de tecnologia de baterias da Siemens EDA, mencionou a tendência de várias empresas em direção a arquiteturas de baterias de 800 volts, com potenciais benefícios no carregamento, mas isso também impõe novos requisitos aos inversores e à eletrônica associada ao sistema.
O papel do SiC, do GaN e dos conversores de estado sólido
Os conversores de estado sólido estão substituindo gradualmente os conversores tradicionais com núcleo de ferro em alguns projetos de 800VDC. O conversor de estado sólido pode ser conectado diretamente à rede de corrente alternada de alta tensão, fornecendo depois corrente alternada de baixa tensão ou fazendo a conversão diretamente para 800VDC, conforme a arquitetura escolhida.
Materiais de banda proibida larga, como o carbeto de silício SiC e o nitreto de gálio GaN, oferecem velocidades de comutação mais altas e menores perdas térmicas, além de permitirem componentes magnéticos menores e mais leves. Em comparação com os transformadores tradicionais enrolados com fios, os transformadores planos ajudam a reduzir a altura e a aproveitar o espaço com maior densidade dentro dos racks.
Mas a transição do silício para SiC ou GaN não é uma substituição direta. As velocidades de comutação mais altas aumentam os desafios de interferência eletromagnética e ruído, exigindo malhas de controle estáveis e sinais de acionamento de porta diferentes, além de um projeto magnético adequado. A escolha do material continua vinculada à classe de tensão e à aplicação; transistores IGBT podem continuar adequados para alguns conversores de comutação mais lenta, enquanto Wawer considera que um conversor de estado sólido de alta tensão e comutação rápida é particularmente adequado ao SiC. O GaN também é utilizado por sua eficiência, densidade de potência e capacidade de operar em uma ampla faixa de tensões.
O que muda, na prática, na arquitetura e na operação?
Os requisitos de energia também mudam perto das próprias cargas. Os circuitos de gerenciamento de energia PMIC tornaram-se componentes centrais do desempenho do sistema, e não elementos secundários, porque geram linhas de alimentação mais próximas do processador e da memória, oferecem um controle de tensão mais preciso, medição em tempo real e sequenciamento integrado, além de reduzir as perdas de conversão e suportar mudanças rápidas na carga.
O subsistema de memória sofre pressão adicional com o aumento das velocidades da DRAM. Qualquer queda de tensão pode causar erros no temporização da memória e, consequentemente, corrupção de dados ou outras falhas no servidor. Por isso, as soluções de energia da memória migraram para PMICs integrados aos módulos DDR5, enquanto continuam os desafios relacionados à corrente de carga, à precisão da regulação de tensão e à resposta a mudanças repentinas.
No nível dos chips, porém, não basta reengenheirar apenas a rede de energia. Shenoy afirma que aumentar a eficiência computacional do processador continua sendo um caminho fundamental, enquanto empresas como a Imagination Technologies observam demanda pela expansão de tecnologias de GPU eficientes, de aplicações de edge e automotivas para escalas maiores voltadas aos data centers. John Weil, da Synaptics, observa que a evolução dos modelos de inteligência artificial, incluindo modelos de visão e linguagem, eleva a demanda por capacidades maiores em períodos curtos.
Por outro lado, a transição para 800VDC representa um grande desafio de segurança, especialmente na atualização de data centers existentes. Hoa Tram, engenheira-chefe de produtos da Cadence, afirma que os equipamentos de seccionamento, disjuntores, fusíveis e chaves de isolamento projetados para interromper falhas de corrente alternada precisam ser substituídos por equipamentos classificados para corrente contínua. Também é necessário integrar novos sistemas de medição e alerta e treinar os funcionários para lidar com os equipamentos diferentes.
A multiplicidade de projetos aumenta a complexidade; algumas instalações podem utilizar um barramento unipolar de 800 volts, enquanto outras preferem uma arquitetura bipolar de ±400 volts, o que se reflete na interoperabilidade, nos sistemas de proteção e na formação e nas certificações exigidas dos trabalhadores. Ao mesmo tempo, alguns centros de dados podem continuar com uma arquitetura de 48 volts, aproveitando conversores mais eficientes. Por exemplo, um protótipo laboratorial desenvolvido por engenheiros da Binghamton University apresentou um conversor monofásico para o ponto de carga com eficiência 10% a 12% superior e uma taxa de variação aproximadamente duas vezes mais rápida que a anterior.
Esses desenvolvimentos demonstram que 800VDC não é um componente isolado, mas uma reformulação da cadeia de energia, desde a rede elétrica até a porta dentro do chip. Essa visão requer conversores, materiais, semicondutores e circuitos de gerenciamento de energia mais eficientes, além de atualizações na proteção, no resfriamento e na operação. No entanto, a lentidão na construção da infraestrutura e das redes elétricas pode limitar a velocidade de implementação, mesmo com o aumento da demanda de dezenas ou centenas de quilowatts no nível do rack para megawatts e, depois, para dezenas ou centenas de megawatts no nível do centro de dados.